Protección contra explosiones de hidrógeno

Por qué el hidrógeno es diferente

El hidrógeno no es un gas inflamable cualquiera. Se encuentra en el extremo de casi todos los parámetros de explosión:

• El rango inflamable más amplio de cualquier gas común: 4-75 % en el aire (en comparación con el 2,1-9,5 % del propano).
• La energía de ignición más baja: ~0,017 mJ (una chispa estática que no se percibe es suficiente).
• Velocidad de llama más rápida: velocidad de combustión laminar de 2,65 m/s (10 veces más rápida que el metano).
• MESG más pequeño: 0,29 mm (se requieren los espacios ignífugos más estrechos)
• Gas más ligero: 14,4 veces más ligero que el aire (se eleva y se dispersa muy rápidamente).
• Molécula más pequeña: penetra en juntas, uniones e incluso algunos metales (fragilidad por hidrógeno).

Estas propiedades sitúan al hidrógeno en el grupo de gases IIC, la clasificación más exigente. Los equipos certificados para IIC pueden manejar cualquier gas; los equipos certificados para IIA o IIB no pueden utilizarse con hidrógeno. Consulte EPL para ver la correspondencia entre zonas y equipos.

Propiedades del hidrógeno de un vistazo

La economía del hidrógeno: demanda creciente

El impulso global hacia la descarbonización está impulsando una inversión masiva en infraestructura de hidrógeno:

• Producción de hidrógeno verde: plantas de electrólisis alimentadas con energía renovable
• Hidrógeno azul: reformado con vapor de metano con captura de carbono
• Estaciones de repostaje de hidrógeno: para vehículos con pilas de combustible (coches, camiones, autobuses, trenes).
• Hidrógeno industrial: refinerías, producción de amoníaco, fabricación de acero, fabricación de semiconductores
• Power-to-gas: inyección de hidrógeno en redes de gas natural (mezcla de hasta un 20 %)
• Pilas de combustible: generación de energía estacionaria y móvil

Cada una de estas aplicaciones crea nuevas áreas peligrosas que necesitan protección contra explosiones con clasificación IIC. La Agencia Internacional de la Energía estima que el mercado del hidrógeno crecerá de ~95 Mt/año (2022) a más de 150 Mt/año en 2030.

Requisitos de equipamiento para el hidrógeno

El grupo de gases IIC es obligatorio

Todos los equipos en áreas clasificadas para hidrógeno deben estar clasificados para el grupo de gases IIC. Los equipos clasificados como IIA o IIB no son aceptables: los espacios a prueba de llama son demasiado amplios y los límites de energía de seguridad intrínseca son demasiado altos para la sensibilidad de ignición del hidrógeno.

Clase de temperatura

El hidrógeno tiene una temperatura de autoignición relativamente alta (560 °C), lo que lo sitúa en T1. Esto significa que la clase de temperatura rara vez es el factor limitante para el hidrógeno: la mayoría de los equipos industriales ya alcanzan T3 o T4, ambos muy por debajo de 560 °C.

Sin embargo, en atmósferas mixtas (hidrógeno + otros gases), el gas con la AIT más baja determina la clase T requerida. Compruebe siempre la composición completa de la atmósfera.

Equipos antideflagrantes (Ex d) para hidrógeno

Las carcasas antideflagrantes para hidrógeno IIC deben tener:

• Dimensiones de separación más estrictas: máximo 0,15 mm (frente a 0,25 mm para IIA) para longitudes de junta típicas
• Trayectorias de llama más largas: mínimo 25 mm para recintos más grandes (frente a 12,5 mm para algunas aplicaciones IIA)
• Presiones nominales más altas: la rápida velocidad de la llama del hidrógeno genera presiones de explosión más altas dentro de los recintos
• Mejor acabado superficial: las juntas mecanizadas deben ser más lisas para mantener la integridad de los espacios

Por eso, los equipos IIC Ex d suelen ser más caros y pesados que sus equivalentes IIA/IIB.

Equipos intrínsecamente seguros (Ex i) para hidrógeno

Los circuitos IS para entornos de hidrógeno deben funcionar dentro de límites de energía aún más estrictos:

• Menor tensión y corriente: reducidas en comparación con los circuitos IIA/IIB.
• Límites de capacitancia/inductancia más estrictos: se permite menos energía almacenada en cables y componentes.
• Longitudes máximas de cable más cortas: debido a los límites de capacitancia más estrictos

La seguridad intrínseca es muy adecuada para aplicaciones con hidrógeno, ya que el umbral de energía para la ignición del hidrógeno (0,017 mJ) es precisamente el que los circuitos IS están diseñados para mantener por debajo.

Otros métodos de protección

• Ex e (seguridad aumentada): adecuado para IIC cuando se clasifica correctamente. Se utilizan comúnmente cajas de terminales y cajas de conexiones.
• Ex p (presurización): eficaz para el hidrógeno, mantiene una presión positiva para excluir el gas. Requiere un suministro de gas fiable y una supervisión del enclavamiento.
• Ex n (sin chispas): solo zona 2. Algunos equipos Ex nA con clasificación IIC disponibles para aplicaciones sin chispas.

Peligros específicos del hidrógeno

Llama invisible

El hidrógeno arde con una llama casi invisible a la luz del día. No se puede ver un incendio de hidrógeno sin equipos de detección especiales (cámaras térmicas, detectores de llamas UV). Esto hace que la identificación visual de las fugas que se han inflamado sea extremadamente difícil y peligrosa.

Rápida dispersión

Al ser 14 veces más ligero que el aire, el hidrógeno se eleva y se dispersa más rápido que cualquier otro gas. Esto es tanto una ventaja (las fugas al aire libre se disipan rápidamente) como un peligro (el gas se acumula en techos, espacios bajo cubierta y áreas elevadas cerradas en lugar de a nivel del suelo).

Riesgo de detonación

El hidrógeno tiene un tamaño de célula de detonación de 10-15 mm, mucho menor que otros combustibles. En espacios cerrados o parcialmente confinados, una deflagración (frente de llama) puede pasar a ser una detonación (onda de choque). Las presiones de detonación son entre 15 y 20 veces superiores a las de deflagración y pueden destruir estructuras diseñadas únicamente para contener deflagraciones.

Fragilidad por hidrógeno

Los átomos de hidrógeno pueden penetrar en las redes metálicas, provocando fragilidad, agrietamiento y, finalmente, la rotura de los componentes de acero. Esto afecta a:

• Tuberías y recipientes de acero al carbono (especialmente aceros de alta resistencia)
• Pernos y sujetadores sometidos a tensión
• Juntas y sellos de presión

El servicio con hidrógeno requiere la selección de materiales según normas como ASME B31.12 (Tuberías y conductos de hidrógeno) y NACE MR0175/ISO 15156.

Sensibilidad electrostática

La energía mínima de ignición del hidrógeno (0,017 mJ) es tan baja que puede inflamarse por:

• Descarga estática de una persona que camina (~10-30 mJ, órdenes de magnitud por encima de la MIE del hidrógeno)
• Acumulación de carga en equipos sin conexión a tierra
• Flujo de gas que genera carga en tuberías o mangueras de plástico

Todos los equipos en áreas con hidrógeno deben estar correctamente conectados a tierra y unidos (consulte los requisitos de instalación). Se deben evitar los materiales no conductores donde sea posible el contacto con hidrógeno.

Clasificación de áreas para hidrógeno

Instalaciones al aire libre

La flotabilidad del hidrógeno es una ventaja significativa en exteriores:

• El hidrógeno liberado asciende a aproximadamente 20 m/s y se dispersa rápidamente.
• Las extensiones de la zona pueden ser menores que en el caso de gases más pesados, ya que el gas no se acumula ni permanece en el nivel del suelo
• Sin embargo, cualquier estructura elevada (marquesina, saliente de un edificio, techo de un módulo de proceso) puede atrapar el hidrógeno que asciende.

Instalaciones en interiores

Las instalaciones de hidrógeno en interiores requieren un diseño cuidadoso de la ventilación:

• El hidrógeno se acumula en el punto más alto de una habitación o recinto
• Las aberturas de ventilación deben estar a nivel del techo (lo contrario que en las instalaciones de propano/butano).
• Normalmente se requiere ventilación mecánica con altas tasas de renovación de aire
• Los detectores de gas deben instalarse a la altura del techo, no a la altura de trabajo

Estaciones de repostaje de hidrógeno

Un reto de clasificación cada vez mayor. Disposición típica de las zonas:

• Zona 1: alrededor de las boquillas de dispensación, las conexiones de separación y los dispositivos de alivio de presión.
• Zona 2: alrededor de las carcasas de los compresores, las conexiones de los tubos de almacenamiento y las bridas de las tuberías
• No peligrosas: Áreas de clientes (separadas por distancia y ventilación), salas de control (con presurización positiva).

Detección de gas para hidrógeno

La detección de hidrógeno presenta retos únicos:

Tipos de detectores

• Sensores catalíticos de perlas: funcionan con hidrógeno, pero tienen sensibilidad cruzada con otros gases. El tiempo de respuesta es aceptable para instalaciones fijas.
• Sensores de conductividad térmica: eficaces para el hidrógeno debido a su elevada conductividad térmica (7 veces superior a la del aire). Menos propensos al envenenamiento que los sensores catalíticos.
• Sensores electroquímicos: se utilizan en detectores portátiles. Buena sensibilidad, pero vida útil limitada.
• Sensores semiconductores (MOS): alta sensibilidad, respuesta rápida. Algunos tipos son específicos para hidrógeno.

Colocación

• Instalar a nivel del techo (el hidrógeno se eleva, por lo que la detección a nivel del suelo es ineficaz).
• Coloque los detectores cerca de posibles fuentes de fuga (válvulas, juntas, sellos), pero por encima de ellas.
• Tenga en cuenta las corrientes de aire que pueden alejar el hidrógeno de la fuente.
• Utilice varios detectores en espacios grandes para evitar zonas muertas.

Niveles de alarma

• Alarma baja: 10 % LEL (0,4 % H₂) — nivel de advertencia
• Alarma alta: 25 % LEL (1 % H₂) — acción ejecutiva (aumento de la ventilación, aislamiento, evacuación)

Normas para el hidrógeno

• IEC 60079-10-1 — Clasificación de áreas (hidrógeno cubierto como gas IIC)
• IEC 60079-20-1 — Características de los materiales para la clasificación de gases (datos sobre el hidrógeno)
• Serie ISO 19880 — Estaciones de servicio de hidrógeno gaseoso
• ISO 22734 — Generadores de hidrógeno mediante electrólisis del agua
• ASME B31.12 — Tuberías y conductos de hidrógeno
• NFPA 2 — Código de tecnologías de hidrógeno (EE. UU.)
• EN 17127 — Puntos de repostaje de hidrógeno (al aire libre, de acceso público)
• CGA G-5.4 — Norma para sistemas de tuberías de hidrógeno (Asociación de Gas Comprimido)

Lista de verificación para la selección de equipos para hidrógeno

1. ☐ Verificar que el equipo esté clasificado como Grupo de gases IIC (no IIA ni IIB)
2. ☐ Compruebe que la clase de temperatura se adapta a la aplicación (T1 es suficiente para hidrógeno puro; compruebe las mezclas)
3. ☐ Confirmar que la categoría se ajusta a la zona (categoría 1 para la zona 0, categoría 2 para la zona 1)
4. ☐ Para Ex d: verificar que los espacios a prueba de explosión y las longitudes de la trayectoria de la llama cumplan los requisitos IIC
5. ☐ Para Ex i: recalcular los parámetros del cable; IIC tiene presupuestos de capacitancia/inductancia más estrictos.
6. ☐ Verifique la compatibilidad de los materiales: evite los aceros al carbono de alta resistencia susceptibles de fragilización
7. ☐ Asegúrese de que la conexión a tierra y la unión sean adecuadas en todo momento (MIE = 0,017 mJ, la electricidad estática es un riesgo real).
8. ☐ Instalar detectores de gas a nivel del techo, no a nivel del suelo
9. ☐ Considerar detectores de llama: tipo UV/IR (las llamas de hidrógeno son invisibles para los detectores ópticos estándar)
10. ☐ Revisar el diseño de la ventilación: aberturas en altura para la ventilación natural, extracción en el techo para la mecánica.

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